超高大跨度輪胎式箱梁搬運機的主梁設計

全國星

摘 要：介紹了超高度大跨度輪胎式搬運機的主要特點，重點闡述了主梁的結構形式。主要計算了主梁的剛度、強度和穩定性，其結構安全、可靠。該設備的成功研制對極限尺寸搬運機設備的研制具有重要意義。

關鍵詞：搬運機；主梁設計；有限元分析；液壓系統

中圖分類號：TH213.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.081

1 概述

滬昆高速鐵路是我國“四縱四橫”的快速客運通道之一，也是我國東西向線路里程最長、影響范圍最大、經過省份最多的高速鐵路，線路由東面的上海途經杭州、南昌和長沙等省會城市，西至昆明。建成后，長沙將升級成鐵路樞紐城市，線路全長2 264 km。

高位輪胎式搬運機是為了滿足鐵路客運專線900 t箱梁的吊裝需要而設計的，整體起升高度比一般搬運機高，主要完成梁場內32 m、24 m和20 m雙線整孔預制混凝土箱梁的吊運，或在預制場內用于YL900運梁車裝梁，還可以用于預制場箱梁預扎鋼筋和內模的整體吊裝。

2 雙主梁高位搬運機的應用

MDEL900S輪胎式搬運機的額定起重量為900 t，起升高度為20.5 m，比傳統搬運機起升高度高，適應線路坡度為15‰.主要由主梁、支腿、車架、吊梁小車、主動輪組、從動輪組、轉向機構、動力系統、電氣系統、液壓系統和司機室等組成。主梁的跨度為40.5 m，總長43.74 m，是搬運機結構中的重要受力部件，其設計質量直接關系著整機的安全性。雙主梁搬運機起吊架橋機工況如圖1所示。

3 主梁的結構形式

主梁采用箱型截面，具有良好的結構性能。隨著起升高度的增加，為了滿足高位寬式支撐、低位寬式支撐和低位窄式支撐等工況，主梁采用雙主梁的結構形式，中部與兩端通過橫聯連接在一起，從而形成一個整體。

由于本設備的起升高度比傳統搬運機提高了1倍，在采用傳統單主梁的結構形式時，主梁下撓量很大，主梁的剛度很難

達到設計要求，為了提高主梁的剛度和縮小主梁的截面，采用了雙主梁的結構形式。

每根主梁由5個節段拼裝而成，每個節段均采用焊接箱型結構，如圖2所示。為了保證箱型結構的穩定性，箱梁設有加強筋和隔板，并在箱梁內部設有加強結構。在主梁與支腿兩端的連接均采用法蘭連接，整個門式采用雙剛性連接。

4 主梁截面設計

根據主梁受力的各種工況，分析其最不利的受力情況，從而確定主梁的截面，如圖3所示。主梁高度為3 000 mm，截面寬度為1 300 mm，上、下翼緣板厚30 mm，腹板厚12 mm。

根據《起重機設計手冊》，計算了主梁整體的穩定性、主梁腹板的局部穩定性和主梁翼緣板的局部穩定性。

4.1 主梁整體的穩定性

由主梁的截面可知，受壓翼緣板的自由長度l1與其寬度b1之比為：

. （1）

式（1）中：fy為鋼材的屈服強度，因此不計算整體的穩定性。

4.2 腹板局部的穩定性

受彎構件腹板的局部穩定性主要通過設置加強筋來保證。可根據腹板高度h0與腹板厚度δ1之比確定。本設備中，對于Q345C而言，需要設置橫向加強筋，并在腹板受壓區設置2道縱向加強筋。在本搬運機中，為了提高主梁的剛度，在腹板區域設置了3道縱向加強筋。

4.3 翼緣板局部穩定性

對于箱型梁而言，受壓翼緣板可控制其寬厚比，從而保證局部的穩定性。當腹板之間的受壓翼緣板b0與受壓厚度δ

之比 時，需要加設縱向加強筋。

在本截面中， ，需要加設縱向加強筋。當

設置一道縱向加強筋時， 可滿足設計要求。

5 有限元分析

5.1 有限元模型的建立及其邊界條件

對該搬運機的雙主梁進行有限元分析計算，由于主梁主要由板焊接而成，所以，選用shell63單元模擬，該單元每個節點具有6個方向的自由度，能很好地表現主梁的受力特性。根據主梁結構建立了主梁的有限元模型，并進行了網格劃分，如圖 4所示。

圖4 有限元模型

對該模型施加了邊界條件，在支腿連接處分別施加了X，Y，Z三個方向的位移約束，并根據工況添加了載荷。經綜合考慮，作用于主梁上的載荷主要由如下4部分組成：①主梁的自重，均布加載于模型上；②吊梁小車的質量為30 t，施加在主梁上；③起升機構的質量為10 t，施加在前、后橫梁上；④梁片載荷，考慮了32 m梁（900 t）、24 m梁（686 t）和20 m梁（545 t）三種梁片，且研究了偏載的不利工況。

5.2 有限元具體分析

根據簡支梁模型分別計算了32 m、24 m和20 m三種梁型的有限元分析，通過有限元計算后得到了主梁的強度應力分布圖。

根據《機械設計手冊》，關于板厚16 mm<δ≤35 mm的Q345C材料的屈服極限為325 MPa，取安全系數為1.33，則許用應力為244 MPa。

由圖 5可見，32 m梁工況下的應力最大值為243.8 MPa，但在最大應力發生的部位為局部應力，已經通過結構優化補強，因此，主梁整體強度可滿足設計要求。

由圖 6可見，雙主梁在該工況下的位移下撓量（f）最大為69 mm。因主梁本身的質量等因素會產生下撓變形量，所以，根據以往的設計經驗，只需要滿足f

6 結束語

通過上述計算，主梁的強度、剛度和穩定性均可滿足設計要求。MDEL900S雙主梁高位搬運機的設計突破了以往搬運機較低的起升高度的限制，采用雙主梁的結構型式，具有安全性和可靠性，可滿足梁場內高位和低位等工況的需要。該高位搬運機自應用以來，較好地完成了梁場內預制箱梁的起吊工作，取得了較好的社會效益和經濟效益，為今后類似設備的研制積累了經驗。

參考文獻

[1]張質文，虞和謙.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

〔編輯：張思楠〕